Вариации состава минералов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Вариации состава минералов

10.07.2021

Как уже отмечалось, минерал, являющийся чистым веществом — это исключение, и большинство минералов характеризуется значительными вариациями химического состава. Сфалерит представляет пример минерала со значительными колебаниями химического состава.

Вариация состава является результатом замещения в данной структуре иона или ионной группы на другой ион или ионную группу. Этот тип замещения называется ионным замещением, или твердым раствором. Например, обращаясь к анализам сфалерита в табл. 4.12, можно сказать, что анализ 4 содержит 32,4 ат. % Fe, замещающего Zn. Другим способом выразить вариации состава сфалеритов, представленных анализами в табл. 4.12, можно, сказав, что существует ряд твердых растворов Fe в ZnS от чистого ZnS до (Zn0,68 Fe0,32)S. Типы твердых растворов можно рассматривать как проявление механизмов замещения, внедрения и вакансии.

Твердые растворы замещения

Это самый обычный тип ионного замещения, он иллюстрируется анализами в таблицах 4.12—4.15. Fe2+ замещает Zn2+ в одной и той же атомной позиции структуры сфалерита; Fe2+ замещает Mg2+ в отдельных позициях структуры оливина и т. д. Различные факторы влияют на степень, с которой может проявиться замещение. Наиболее важен размер иона. Ионы двух элементов могут легко замещать друг друга, только если их ионные радиусы одинаковы или отличаются менее чем на 15 %. Если радиусы двух ионов отличаются на 15—30 %, то замещение ограничено или редко, если же они отличаются более чем на 30 %, то вероятна только малая степень замещения. Эти пределы только приблизительны и основываются на эмпирических данных, выведенных из изучения большого числа минеральных систем с ионным замещением. Другим очень важным фактором является температура, при которой рос кристалл. Чем выше температура, тем больше степень теплового беспорядка и тем менее строгие пространственные ограничения структуры. Следовательно, кристаллы, растущие при высоких температурах, могут демонстрировать значительное ионное замещение, которое было бы невозможно при более низких температурах. Примером служит высокотемпературная форма KAlSi3O8 (санидин), которая может включать значительно большее количество Na (замещающего К), чем низкотемпературная форма (микроклин). Еще одним фактором при замещении является необходимость нейтральности структуры. Если одновалентный ион, такой как Na+, замещает двухвалентный ион, такой как Ca2+, то необходимы и другие замещения для сохранения электрической нейтральности.

Простейшими примерами ионного замещения являются простое анионное или катионное замещение. В соединении с составом типа A+X- A+ может быть частично или полностью замещено B+. В этом случае не происходит изменение валентности, и такое замещение иллюстрируется появлением К в позициях Na в NaCl. Простое анионное замещение может быть представлено в соединении A+X-, в котором часть или все X- могут быть замещены Y-. Примером является включение Br в структуру KCl вместо Cl . Пример полных рядов твердых растворов (имея в виду замещение одного элемента другим во всем возможном диапазоне составов, определяемом составами двух конечных членов) представляет оливин MgFe2SiO4. Mg2+ может замещаться частично или полностью Fe2+; конечные члены ряда оливина, между которыми имеется полный твердый раствор, — это Mg2SiO4 (форстерит) и Fe2SiO4 (фаялит). Промежуточные составы определяются в виде Fox и Fay, как показано в табл. 4.13. Другим примером ряда полных твердых растворов является (Mn, Fe)CO3, который наблюдается как ряд от MnCO3 (родохрозит) до FeCO3 (сидерит). Примером полного анионного ряда между двумя соединениями является KCl и KBr. Размер этих двух анионов отличается на 8,5 % друг от друга, допуская таким образом полное замещение Cl- на Br- и наоборот.

Если в соединении типа A2+X2- катион B3+ замещает какой-нибудь из A2+, то электрическая нейтральность может быть сохранена, если точно такое же количество A2+ в то же самое время замещается катионом C+. Это может быть представлено в виде 2А3+ - 1B3+ + 1C+, с идентичным общим электрическим зарядом по обеим сторонам равенства. Этот тип замещения известен как парное замещение. Ряд полевых шпатов — плагиоклазов может быть представлен в виде двух конечных членов NaAlSi3O8 (альбит) и CaAl2Si2O8 (анорит). Полный твердый раствор между составами этих двух конечных членов иллюстрируется парным замещением Na+Si4+ Z-Ca2+Al3+. Это означает, что на каждый Ca2+, который замещает Na+ в структуре полевого шпата, один Si4+ замещается на Al3+ в каркасе SiO. Это уравнение показывает, что суммарные электрические заряды по обеим сторонам уравнения одинаковы, и структура как целое остается нейтральной. Примером ограниченного парного твердого раствора служат два пироксена: днопсид (CaMgSi2O8) и жадеит (NaAlSi2O6). Парное замещение можно выразить в виде: Ca2+Mg2+ Na+Al3+. Хотя структура пироксена нейтральна при любом типе из этих катионных пар, атомные позиции и координационные полиэдры не допускают существования полного твердого раствора этого типа.

Твердые растворы внедрения

Между атомами или ионами, или ионными группами в кристаллической структуре существуют промежутки — интерстиции, которые обычно считаются пустыми. Если в этих структурных пустотах размещаются ионы или атомы, мы говорим об интерстиционном замещении, или твердом растворе внедрения. В некоторых кристаллических структурах эти пустоты могут иметь вид каналов, как в берилле (Be3Al2Si6O18). В этом кольцевом силикате большие ионы, а также газы занимают трубчатые пустоты из накладывающихся колец (рис. 4.23). Значительные количества К, Rb, Cs и H2O, а также He, приводимые в анализах берилла, внедряются в эти гексагональные каналы.

Твердые растворы вакансии

Наиболее известным минералогическим примером этого типа твердых растворов является пирротин Fe, AS. В пирротине сера находится в плотнейшей гексагональной упаковке, а железо — в шестерной координации серы. Если бы каждая октаэдрическая позиция была заполнена Fe2+, то формула пирротина была бы FeS. Однако в пирротине наблюдается вариация содержания вакансий в октаэдрических позициях, вызывая таким образом колебание состава от Fe6S7 через Fe11S12 почти до FeS. Эта формула обычно выражается в виде Fe1-хS с х, колеблющимся от 0 до 0,2. Минералы, подобные пирротину, в которых отдельные структурные позиции заняты не полностью, известны как дефектные структуры. Если Fe2+ отсутствует в какой-нибудь из октаэдрических позиций в пирротине, а серная сетка остается полностью нетронутой, то структура электрически не нейтральна. Вероятно, часть Fe находится в состоянии Fe3+, компенсируя недостаток Fe2+. Если это так, то формула нейтрального пирротина может быть написана, как (Fe1-3х2+Fe2х3+Vх)S1. Если х принять за 0,1, то эта формула означает, что в структуре пирротина имеется 0,1 вакансия (V), 0,7Fe2+ и 0,2Fe3+.
Вариации состава минералов

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: